¿Por qué vuela un avión?

Estela de avión, por Paco Abato

Desde que el hombre tiene memoria, una de sus grandes metas ha sido poder imitar el vuelo de los pájaros y ver así el mundo desde las alturas. Esto parecía imposible hace casi 200 años, pero nos ha enseñado la Historia lo poderoso que puede llegar a ser el ingenio humano y, como dijo en su momento Cocteau, "como no sabían que era imposible, lo hicieron".



Hoy en día, a casi nadie le sorprende ese ruido tan característico que deja un avión en el ambiente tras su paso. Nos hemos acostumbrado a los aviones, a ver esas preciosas estelas blancas en el cielo que parece que lo dividen en dos, pero, ¿sabes realmente cómo tal amasijo de hierros es capaz de volar?

Antes de nada, vamos a remontarnos a las primeras cabezas "llenas de pájaros" que empezaron a preguntarse cómo sería posible volar. Podemos encontrarnos con cientos de nombres de científicos que aportaron su granito de arena a esta causa, y uno de los primeros en interesarse por este tema fue un cordobés. Increíble, pero cierto.

Retrato de Abbás Ibn Firnás.
Fundación Española para la Ciencia
y la Tecnología,
MUNCYT, Eulogia Merle.

Podríamos decir que la historia de la aviación como tal tuvo su comienzo en la Edad Media con la creación del primer aparato volador de mano del andalusí Abás Ibn Firnas (aunque un tanto desastroso, puesto que aunque el vuelo fue un éxito, al aterrizar se rompió ambas piernas) allá por el siglo IX d.C. Posteriormente, cerca del año 1500, este campo de la ingeniería conocería grandes avances gracias al gran maestro Leonardo Da Vinci, quien imaginó y plasmó en varios bocetos una serie invenciones voladoras, que finalmente, resultaron realizables. 

Para vislumbrar los aviones modernos nos tenemos que remontar a finales del siglo XIX, cuando una serie de estudiosos, como los Hermanos Wright, empezaron a allanar el camino hacia la aeronáutica actual, que experimentó un gran desarrollo durante las dos grandes Guerras Mundiales con el claro objetivo por parte de todos los bandos de desarrollar una tecnología superior a la de sus oponentes. La industria aeronáutica actual, aunque ahora nos permita disfrutar de grandes comodidades, vino acompañada en aquella época de gran devastación. 

Dicho esto, es momento de empezar a hablar un poco de qué es lo que hace posible el vuelo de no sólo los aviones, sino de las máquinas voladoras estrafalarias de Da Vinci o de las alas-deltas, que no deja de ser el fundamento de por qué puede volar un pájaro (avión, de hecho, es un término procedente del latín avis, que significa ave). Todos estos casos tienen en común una serie de fundamentos físicos que hacen posible un vuelo elegante y sustentado.

En este mundo, nosotros mismos y todo lo que nos rodea estamos sometidos a multitud de fuerzas debido a que nuestras masas, inevitablemente, interactúan unas con otras. Cuando nos queremos referir a por qué vuela un avión, lo primero que tenemos que hacer es justificar el porqué de su forma en base, de hecho, a estas fuerzas. Lejos de ser caprichosa, podemos encontrar la razón de la morfología de un avión en la Aerodinámica, una rama de la Mecánica de Fluidos que estudia las fuerzas (empuje, resistencia, presión...) a las que se ve sometido un cuerpo en función de su forma cuando se desplaza por el aire. Como cualquier otra rama de las ciencias físicas, la Aerodinámica tiene a su disposición un amplio abanico de métodos matemáticos con los que explicar sus postulados, pero para hacerlo entendible a nivel de este artículo, vamos a simplificarlo todo lo que nos permita don Isaac Newton.

Párate a pensar ahora mismo en el aire. En cuanto a su composición, el aire es una mezcla de diversos gases, sobre todo moléculas de oxígeno (O2), dióxido de carbono (CO2) y nitrógeno (N2), de tal forma que, aunque no lo podamos ver, debemos imaginarnos el aire que entra por nuestros pulmones constituido por millones de moléculas en constante agitación. A diferencia de los líquidos como el agua, las moléculas que conforman los gases están muy separadas unas de otras y tienen completa libertad de movimiento. En los materiales sólidos, los átomos o moléculas que los componen están mucho más estrictamente unidos entre sí y su libertad está restringida a menudo a pequeñas vibraciones dentro de la misma posición, y de la misma manera que un objeto sólido pesa (ejerce una fuerza sobre la superficie sobre la que descansa), los “objetos” fluidos también, claro que nunca se escucha por ahí decir que "el aire pesa" (lo que es así). En su lugar, es mejor introducir el concepto de "presión".

Como en los fluidos las partículas se están moviendo de un lado para otro en todo momento, tienden a colisionar con todas las superficies con las que hacen contacto, ejerciendo una fuerza medible, que es lo que denominamos justamente como "presión". De esto puedes extraer que tú, ahora mismo, tienes sobre tus hombros una gran presión, la que ejerce una columna de aire de varios kilómetros de profundidad: una atmósfera. Debes tener en cuenta que cuanto más arriba te encuentres en la columna de aire menos aire tendrás encima de tu cabeza, por lo que la presión que éste ejercerá sobre ti es menor. Es así que vivir a nivel del mar no es lo mismo que vivir en la cima de una montaña, ya sea hablando de respirar como de cocer patatas (ya que la ebullición del agua o la presión parcial del oxígeno cambian con la presión atmosférica).

Cuando se trata de volar, debemos tener muy claro que lo que nosotros buscamos es usar esa presión que ejerce el aire sobre los cuerpos en nuestro favor. Pero no nos vale cualquier dirección o sentido: necesitamos ejercer una fuerza desde abajo hacia arriba, la que se denomina "fuerza de sustentación".
Tengamos en cuenta que el peso de un avión es de muchas toneladas. La fuerza que lo eleve debe de ser por lo menos equivalente a este peso y en sentido contrario. Esta es la función, de hecho, de todas las alas, ya sea de pájaros o de aviones, y jugando con su geometría podemos conseguir el diseño perfecto para ello. Pero, ¿cómo nos las apañamos para hacerlo?

Ahora es el momento de volver a pensar en todas las partículas que forman el aire. Cuando un avión se mueve ya sea impulsado por unos potentes motores (que podría decirse que equivalen a todos los esfuerzos musculares que ejercen las aves) o simplemente planeando en el aire, estas partículas chocan contra el perfil del ala, pasando unas por encima (extrados) y otras por su parte inferior (intrados).

Y aquí viene la clave de todo: dos partículas que se encuentran juntas antes de que pase el avión tienen seguir juntas una vez haya pasado éste; si una pasa por encima del ala y la otra por debajo de ella, deberán llegar al final del perfil al mismo tiempo. Es aquí el punto donde la geometría usada para diseñar un perfil alar influye para mantener en el aire un cuerpo moviéndose usando la presión a su favor: si hacemos que el recorrido del lado superior del ala sea un poco más grande que el recorrido de lado inferior, esto supondrá que la partícula que pasa por arriba debe ir más rápido que la que pasa por debajo, es decir, que el aire que pasa por la cara superior se acelera. Esto es lo que se conoce como efecto Venturi, la aceleración que experimentan las moléculas de un fluido cuando éste es obligado a circular por una zona de menor sección. Cuando esto pasa, ocurre lo que denominamos efecto Bernoulli, que expresa matemáticamente cómo la relación inversamente proporcional que existe entre la velocidad de un fluido y la presión que ejerce.

 

Fuente: http://ffden-2.phys.uaf.edu/211_fall2002.web.dir/josh_palmer/basic.html

Gracias a que la zona donde el aire se mueve más despacio ejerce una presión mayor que la zona donde el aire se mueve más rápido, se genera una fuerza hacia arriba: nuestra deseada sustentación capaz de soportar el peso del avión. Esto podría verse como una manifestación de la Tercera Ley de Newton, por la que se dice que cualquier fuerza que ejerza un cuerpo sobre otro provoca en el primero una fuerza de igual intensidad y sentido contrario. El aire acelerado ejerce al impactar, si el avión va lo suficientemente rápido, la fuerza que supera el peso del avión.

Esta sustentación, recalcamos, sólo se produce si el aire está moviéndose a través del ala, aumentando o disminuyendo debido al ángulo de ataque del perfil alar. Dicho ángulo es el generado entre una horizontal imaginaria ("paralela al suelo") y el perfil alar del avión, pudiendo o aumentar la sustentación si las partículas que pasan por encima del perfil tienen mayor recorrido debido a que ese ángulo es mayor, o causar la entrada en perdida (ausencia de sustentación) si éste es demasiado pronunciado.
 

Por otro lado, todos los cuerpos tienen cierta resistencia a moverse por un fluido. Lo notamos mejor en el agua, pero en el aire también sucede. La forma de torpedo que tienen los aviones no es sino la mejor para desplazarse en línea recta por la atmósfera, ya que ofrece menos resistencia a ella en la dirección del desplazamiento.

Hacer un avión conlleva muchos factores a tener en cuenta: motores, superficies hipersustentadoras, materiales resistentes... además de muchos complejos cálculos sobre fuerzas, proporciones geométricas, escalado... Obviamente, no es, ni mucho menos, tan sencillo; el modelo que te hemos presentado, de hecho, presupone que las moléculas de aire están quietas (lo cual no es cierto) para simplificar el problema. Pero el fundamento físico está ahí: un motor que produzca empuje y velocidad adecuada para el cuerpo y unas buenas alas que lo mantengan estable gracias a la acción del viento al atravesarlas.

FUENTES Y REFERENCIAS:

• Rivas Rivas, D. (2014) Introducción a la ingeniería aeroespacial. Departamento de Ingeniería Aeroespacial y Mecánica de Fluidos. Universidad de Sevilla. Servicio de Publicaciones Escuela Técnica Superior de Ingenieros.
• National Aeronautic and Space Administration (NASA) Principles of flight. Axel/control surfaces. http://www.aeronautics.nasa.gov/pdf/axes_control_surfaces_5-8.pdf
• Hull, D.G. (2007) Fundamentals of Airplane Flight Mechanics. Springer. http://airspot.ru/book/file/73/hull_airplane_flight_mechanics.pdf
• Martínez, A.L. Aerodinámica: la magia del vuelo. http://oa.upm.es/2092/1/C269.pdf
• Freedman, R.A.; Young, H.D. (2009) Física universitaria. Volumen I. Pearson Educación.
• Colaboradores de Wikipedia. Abbás Ibn Firnás [en línea]. Wikipedia, La enciclopedia libre, 2014 [fecha de consulta: 18 de noviembre del 2015]. Disponible en <https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Abb%C3%A1s_Ibn_Firn%C3%A1s&oldid=78748459>.